基于光交叉矩阵的智能光纤资源调度系统设计

韦熹 唐林林 徐志强 徐维开

摘  要：光纤通信的飞速发展为高速数据的传输带来便利，随着全光网络的覆盖日趋完善，光缆资源及光口业务数量也急剧增长，对光缆资源的调度能力和运维效率提出更高要求。文章通过对比传统光缆资源调度方式，提出基于光交叉矩阵的智能光纤调度系统，对系统工作原理、功能特点、应用场景、实现效果进行详细阐述，为通信系统光网络资源管理提供有益参考。

关键词：光纤;光交叉;矩阵;调度

中图分类号：TN929.5      文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）05-0064-04

Design of Intelligent Optical Fiber Resource Scheduling System Based on Optical Cross Matrix

WEI Xi， TANG Linlin， XU Zhiqiang， XU Weikai

（The 34th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Guilin  541004， China）

Abstract： The rapid development of optical fiber communication has brought convenience to the transmission of high-speed data. With the coverage of all-optical networks has become more and more perfect， the number of optical cable resources and optical port services has also increased sharply， and higher requirements are placed on the dispatching ability and operation and maintenance efficiency of optical cable resources. By comparing traditional optical fiber cable resource scheduling methods， this paper proposes an intelligent optical fiber scheduling system based on optical cross matrix， and elaborates the system’s working principle， functional characteristics， application scenarios， and implementation effects in detail， and it provides a useful reference for the optical network resource management of the communication system.

Keywords： optical fiber; optical cross; matrix; scheduling

0  引  言

隨着光纤通信传送网的飞速发展，台站内光口业务数量也在急剧增长，在光纤配线架（Optical Distribution Frame， ODF）上人工调度的传统模式存在开通费时、调度烦琐、插损易增、容错率低等弊端，同时，传统模式人工插拔光纤的调度模式对人员业务素质和资料准确度的依赖较高，制约了指控信息的传递，难以适应迅速、准确、可靠的保障要求。在当前一线值勤维护力量日益紧张的背景下，如何实现远程灵活调度、严格控制插入损耗，提高资源利用率并降低维护成本，增强通信系统的可靠性的需求日益突出。

为解决传统人工配线所面临的困难，提高光缆资源利用率、降低维护成本，本文提出一种基于光交叉矩阵切换的智能光纤配线系统解决方案。通过智能光配线管理系统，根据台站的实际情况和业务需求进行设计，对光业务进行远程调度，从而满足“迅速、准确、可靠”的业务管理要求。通过软硬件结合的方式增强通信系统的可靠性。

1  光交叉矩阵介绍

如图1所示，光交叉矩阵内部将M个1×N和N个1×M光纤准直器按照two-stage的结构组合成了一个完全无阻塞的光路由控制矩阵，通过精密步进电机进行驱动，结合光准直精准定位设计，实现光路由交换。精密步进电机将轴向光纤准直器在电机的微步驱动下绕轴作微步转动，分别一一对准呈扇形分布的N个光纤准直器来实现光路的耦合，达到光路开关切换的目的。

精密步进电机式光路由开关结构简单、重复性好、插入损耗低、透明传输、切换速度快、性价比高等特点。M×N光路由控制包含了控制电路，利用嵌入式实时操作系统控制精密步进电机实现精确移位、精确定位、无积累误差，来控制每个单元的工作情况，以及整个矩阵控制矩阵运行状态，支持网络远程控制，通过程控指令即可实现光路由的控制，以及查询当前光路由状态。

2  光纤资源调度系统设计

2.1  总体架构

智能光纤资源调度系统由智能光纤配线设备（以下简称配线设备）和智能光纤资源管理软件（以下简称管理软件）组成。该系统通过部署在光缆网各级站点、管理中心等关键节点上的软硬件，结合实时光缆监测数据计算出各互联节点间光缆的长度、衰耗和选切等综合数据，根据光网络的使用需要，实现对光网络资源的总体规划、统一管理、实时监测、智能预警和综合配置，确保网络的快速部署和可靠运行。系统总体架构如图2所示。

智能光纤资源管理软件实现光纤资源规划、光缆监测管理、光缆配置管理、智能运维、日志管理等功能，实时反映网络运行情况，挖掘网络运行异常，采用可视化方式展示光缆网信息，为光缆网管理决策提供有效的决策依据。

2.2  智能光纤配线设备

智能光纤配线设备是智能光纤资源调度系统的关键基础设备。智能光纤配线设备由光交叉矩阵、监测模块、OTDR模块、网络通信模块等部件组成。光交叉矩阵通过步进电机实现光路耦合;监测模块对光功率和电压进行监测，并定时将检测数值上报;控制模块控制交叉矩阵的光路切换并获取光功率信息，将数据上传到管理系统;OTDR模块可实现光缆监测及故障定位，并将故障信息上报管理系统;网络通信模块将控制信号与光缆监测信息进行传输，实现远程控制。如图3所示。

切换控制管理利用单片机芯片开发控制管理程序，驱动电机控制的关键在于步进的精准控制，利用光电传感器的精准定位结合高精度的结构件，让每次驱动都在设计的精度范位内，通过精密步进电机式光路由开关实现插入损耗小于1.2 dB，切换时间小于100 ms快速控制。

光功率检测单元中，监控单元提供多路光功率检测，提供一个串口供控制管理单元发送波长控制命令和读取当前光功率值。监控单元提供Ethernet和RS232两种接口控制方式。输出光功率检测时每一路输出首先经过分光比为1：99的分光器，99%的激光（插入损耗0.4 dB）输出到程控光配线架的输出端，1%的激光（衰耗20 dB）进入光功率检测单元，进行光功率检测。

控制电路始终监测光开关模块状态，并与单元内的FLASH中的通道切换配置表比较，若有差别则重新配置光开关模块，提高系统可靠性。由并行控制电路（FPGA）完成并行控制光开关模块。PC机向主控制电路（MCU）传递所需切换的通道序号表，由主控制电路解释为控制光开关模块的数字信号，以8位宽度传递给并行控制电路，并行控制电路把控制光开关模块的数字信号并行送至光交换单元和输出单元，实现对每一个光开关并行控制。

智能光纤配线设备内置OTDR光缆监测模块，用于对纷繁复杂的光缆故障实时准确定位和光缆参数动态监测，实现光缆性能分析和光缆数据采集和历史数据分析，实现预测光缆参数变化，提前预警光缆故障，为光缆资源网络健康运行及光缆网络规划设计提供重要运维依据。

2.3  智能光纤资源管理软件

智能光纤资源管理软件通过分布式数据采集和数据集中显控来管理各级节点的光缆资源。各节点配备的服务器和数据采集程序对节点状态数据进行采集;中心站点部署的光缆网可视化管理软件对各节点光缆资源的状态数据进行集中显示和控制。智能光纤资源管理软件主要实现以下功能：

（1）光缆资源规划功能。光缆网资源规划可根据使用需求实时了解当前光缆资源使用情况和光缆路由关系，结合实时光缆监测数据，计算出目标节点间的光缆长度、光缆衰减、光缆选切等综合数据，为用户规划出最佳连接方案。

（2）光缆资源管理功能。光缆资源管理采用信息化管理技术对新增光缆入网、光缆废弃或退网、光缆迁改、光缆外线GPS定点、外线设施信息及编号、光缆成端情况、纤芯使用情况、光缆部署轨迹等资源进行综合管理。

（3）光缆网监测功能。光缆网监测可实时准确定位光缆故障和监测光纤物理参数动态。提供基于OTDR技术的光缆数据采集、光纤性能分析和历史大数据对比，实现对光纤物理参数变化的预测，提前对光缆故障进行预警，为光缆资源的健康运行及光纤网络的规划运维提供重要依据。

（4）智能运维管理功能。智能运维管理将光缆监测数据、网络流量、端口速率等信息进行深度分析，判断带宽容量和业务质量，提供网络资源性能报告，直观了解当前网络整体运行情况，为后续网络优化调整、清除故障隐患、维护网络等工作提供依据。

3  应用实例

某电网场区根据光缆网使用特点及任务需要，在核心节点、汇聚节点分别部署了智能光纤调度设备及管理软件，利用基于光交叉矩阵的智能光纤资源调度系统，实现全场区光缆资源的统一管理及高效调度。

光纤资源调度系统应用场景如图4所示。

智能配线设备可以感知光缆线路故障信息，将故障信息反馈给核心节点，核心节点部署管理平台，决策规划新的光缆路由，将发起的调度指令下发到下级各站点，完成光缆资源调度。下面就该智能化调度系统与传统光纤调度系统运行效果进行对比分析，根据调度现行规定，调度流程及效果对比分析，流程对比如图5所示。

3.1  传统人工调度流程

由管理中心发起人工调度，包括核查资料、文电通知、查找端口、逐站调度调度、测试确认、报告交付等流程。按照现行光业务紧急调度时限要求，发起站30分钟，转接站20分钟，即在资料准确、器材完备、业务熟练、不考虑走线规范、所有台站均有人值守的前提下，单站内调通一条业务需30分钟、跨3个台站需要90分钟。

3.2  智能调度流程

由管理中心智能光配线管理系统发起，包括资源查询、系统调度、测试确认、报告交付等流程。采用智能光配线管理系统之后，从流程上减少了查找端口和逐站调度，可通过管理系统远程下发命令实施调度，单站调度仅需3分钟、跨3个台站仅需10分钟，较人工调度用时节省约87%，且智能调度在调度过程中可同时实现测试确认，质量可靠、走线规范，更重要的是摆脱了对人工跳线的依赖，可在任意一台联网终端上实施调度，极大提高了管理效率和业务质量。

实践证明，该场区通过部署智能光纤资源调度系统，实现了对场区内光缆网资源的集中规划、管理、监测和维护，极大地提高了该场区内光缆网的运维调度能力。

4  结  论

智能光纤资源调度系统的部署相较传统光缆资源调度方式能够有效提高光缆网络的资源分配、光路切换、通信链路选择效率，能够有效避免光缆网运维过程中人工参与导致的通信故障和时效问题，通过整体规划和管理，显著降低了光缆网的运维成本。

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作者简介：韦熹（1988.07—）男，壮族，广西柳江人，工程师，硕士研究生，研究方向：光通信系统。